Motor cu turbină cu gaz, orice motor cu combustie internă care utilizează un gaz ca fluid de lucru utilizat pentru a transforma o turbină. Termenul este, de asemenea, utilizat în mod convențional pentru a descrie un motor complet cu combustie internă format din cel puțin un compresor, o cameră de ardere și o turbină.
Caracteristici generale
O lucrare utilă sau o tracțiune propulsivă poate fi obținută de la un motor cu turbină cu gaz. Poate conduce un generator, o pompă sau o elică sau, în cazul unui motor cu avioane cu jet pur, să dezvolte tracțiunea prin accelerarea fluxului de evacuare a turbinei printr-o duză. Cantități mari de putere pot fi produse de un astfel de motor care, pentru aceeași ieșire, este mult mai mic și mai ușor decât un motor cu combustie internă reciprocă. Motoarele cu reacție depind de mișcarea în sus și în jos a unui piston, care trebuie apoi transformat în mișcare rotativă printr-un aranjament al arborelui cotit, în timp ce o turbină cu gaz furnizează direct puterea arborelui rotativ. Deși conceptual motorul cu turbină cu gaz este un dispozitiv simplu, componentele pentru o unitate eficientă trebuie să fie proiectate cu atenție și fabricate din materiale costisitoare, din cauza temperaturilor ridicate și a tensiunilor întâlnite în timpul funcționării. Astfel, instalațiile pentru motoarele cu turbină cu gaz sunt de obicei limitate la unități mari unde devin rentabile.
Ciclurile motorului cu turbină cu gaz
Motor motorizat, simplu, cu ciclu deschis, ideal
Majoritatea turbinelor cu gaz funcționează pe un ciclu deschis în care aerul este preluat din atmosferă, comprimat într-un compresor cu flux centrifugal sau axial și apoi alimentat într-o cameră de ardere. Aici, combustibilul este adăugat și ars la o presiune esențial constantă cu o porție de aer. Aerul comprimat suplimentar, care este ocolit în jurul secțiunii de ardere și apoi amestecat cu gazele de ardere foarte fierbinți, este necesar pentru a menține temperatura de ieșire a camerei de ardere (de fapt, intrarea turbinei) suficient de scăzută pentru a permite turbinei să funcționeze continuu. Dacă unitatea va produce o putere a arborelui, produsele de ardere (în mare parte aer) sunt extinse în turbină până la presiunea atmosferică. Cea mai mare parte a puterii de turbină este necesară pentru a acționa compresorul; numai restul este disponibil pentru a furniza lucrări la arborele unui generator, pompă sau alt dispozitiv. Într-un motor cu jet, turbina este proiectată să asigure o ieșire suficientă pentru a conduce compresorul și dispozitivele auxiliare. Curentul de gaz părăsește turbina la o presiune intermediară (peste presiunea atmosferică locală) și este alimentat printr-o duză pentru a produce împingerea.
Un motor ideal cu turbină pe gaz care funcționează fără pierderi pe acest ciclu simplu Brayton este considerat în primul rând. Dacă, de exemplu, aerul intră în compresor la 15 ° C și presiunea atmosferică și este comprimat la un megapascal, atunci absoarbe căldura din combustibil la o presiune constantă până când temperatura atinge 1.100 ° C înainte de extinderea prin turbină înapoi la atmosferică. presiune. Această unitate idealizată ar necesita o putere de turbină de 1,68 kilowati pentru fiecare kilowatt de putere utilă cu 0,68 kilowati absorbiți pentru a conduce compresorul. Eficiența termică a unității (munca netă divizată la energia adăugată prin combustibil) ar fi de 48%.
Performanța simplă a ciclului deschis
Dacă pentru o unitate care operează între aceeași presiune și temperaturi limitate, compresorul și turbina sunt doar 80 la sută eficiente (adică, munca unui compresor ideal este de 0,8 ori mai mare decât cea reală, în timp ce puterea reală a turbinei este de 0,8 ori mai mare decât cea ideală), situația se schimbă drastic chiar dacă toate celelalte componente rămân ideale. Pentru fiecare kilowatt de putere netă, turbina trebuie să producă acum 2,71 kilowati în timp ce lucrul compresorului devine 1,71 kilowati. Eficiența termică scade la 25,9 la sută. Acest lucru ilustrează importanța compresoarelor și a turbinelor extrem de eficiente. Istoric, dificultatea de a proiecta compresoare eficiente, chiar mai mult decât turbine eficiente, a întârziat dezvoltarea motorului cu turbină cu gaz. Unitățile moderne pot avea o eficiență a compresorului de 86–88 la sută și eficiența turbinelor de 88–90 la sută în condiții de proiectare.
Eficiența și puterea de putere pot fi crescute prin creșterea temperaturii de intrare a turbinei. Totuși, toate materialele își pierd rezistența la temperaturi foarte ridicate și, din moment ce lamele turbinei circulă cu viteze mari și sunt supuse unor tensiuni centrifuge severe, temperaturile de intrare a turbinei peste 1.100 ° C necesită răcire specială a lamei. Se poate demonstra că pentru fiecare temperatură maximă de intrare a turbinei există și un raport optim de presiune. Turbinele moderne cu gaz de aeronave cu răcire a lamei funcționează la temperaturi de intrare a turbinei de peste 1.370 ° C și la raporturi de presiune de aproximativ 30: 1.
